CHEVYAKOV

При легировании через маску примесь почти не распространяется в горизонтальном направлении, при этом можно получать скрытые ступенчатые переходы и использовать методы самосовмещения.

В то же время для метода ионной имплантации характерны некоторые ограничения и недостатки:

1)возникновение в полупроводниковом кристалле большого количества структурных дефектов;

2)неглубокое проникновение примеси при ионной имплантации (например, для бора

ифосфора в кремнии глубина составляет соответственно 0,2 и 0,4 мкм). Для того чтобы увеличить глубину легирования, в ряде случаев используют ионную имплантацию в соче-

тании с диффузионными методами либо применяют ускорители высоких энергий;

3) относительная сложность и высокая стоимость оборудования для ионной имплан-

тации.

Лабораторное задание

1. С использованием программы технологического моделирования получите распре-

деления примесей В, P в кремниевую подложку при разных значениях энергии и дозы.

Для этого:

• задайте параметры подложки (КЭФ-4,5 или КДБ-10) в соответствии с вариантом

(табл.6.1), ориентация 100;

•проведите ионное легирование В или P (в зависимости от варианта), для B значения энергии равны 30, 100, 300 кэВ, доза облучения равна 1013 см−2; для P значения энергии равны 50, 200, 400 кэВ, доза облучения равна 1013 см−2;

•при одном из значений энергии проведите расчет примесного профиля для доз 1012 и

1014 см−2;

•проведите расчет примесного профиля для дозы 1013 см−2 при значениях энергии 100

и300 кэВ для B; 50 и 400 кэВ для P, добавив в маршрут перед ионным легированием опе-

рацию окисления в сухом кислороде (О2) при давлении Р = 1 атм; температуре T = 1100°C, времени окисления t= 7 - 15 мин (в зависимости от варианта);

• выполните задание, содержащееся в предыдущем пункте, добавив в маршрут после ионного легирования операцию отжига в нейтральной среде N2 при T= 1000°C в течение

5- 15 мин (в зависимости от варианта).

111

2. Все распределения для каждой примеси получите в виде графиков зависимостей:

от энергии при одной дозе; от дозы при одной энергии; от энергии при внедрении ч е-

рез окисел; от энергии после отжига. Последние два графика совместите. Объясните полученные зависимости.

Таблица 6.1

Варианты заданий

Примечание. Для вариантов 1 - 9 - подложка КЭФ-4,5, имплантируемая примесь -

В; для вариантов 10 - 18 - подложка КДБ-10, имплантируемая примесь - Р.

112

Порядок выполнения задания

1. Составьте последовательность технологических операций, представленных в зада-

нии. Технологические параметры необходимых для выполнения работы операций приве-

дены в табл.6.2.

2. После выбора всех требуемых технологических операций и составления технологи-

ческого маршрута изготовления структуры приступите к одномерному моделированию технологических процессов с использованием программы Sentaurus Process (sprocess). Для этой программы необходимо составить текстовый входной файл с описанием требуемого технологического маршрута (файл *.cmd).

В табл.6.3 и 6.4 приведены примеры описания технологических операций из табл.6.2 в

программе sprocess. Для моделирования необходимо: задать геометрические размеры об-

ласти моделирования; задать размер ячеек сетки, на которой происходит численное решение системы дифференциальных уравнений (процесс моделирования).

Результаты моделирования (результирующие профили распределения примеси) необ-

ходимо сохранять в виде отдельных файлов.

3. Составьте отчет.

113

Таблица 6.3

Основные элементы входного файла программы sprocess для 1D-моделирования

114

Требования к отчету

Отчет должен содержать:

1) конспект, содержащий сведения о физических основах процесса ионного легирова-

ния полупроводников, параметрах процесса ионной имплантации, необходимых для управления формой примесного профиля и оценки качества проводимой операции, при-

меняемом технологическом оборудовании;

2) результаты расчетов примесных профилей бора или фосфора, выполненных в про-

грамме sprocess, с текстами программ для каждого расчета в соответствии с вариантом за-

дания.

Пример выполнения задания

Приведем пример входного файла для моделирования в программе sprocess, состав-

ленный на основе табл. 6.2 - 6.4.

Содержание файла для sprocess (n1_fps.cmd) (только имплантация):

init field=Phosphorus resistivity=4.5<ohm/cm> wafer.orient=100 implant Boron energy=60<keV> dose=1e12<cm-2> tilt=0 SetPlxList {Phosphorus Boron NetActive}

WritePlx E60_D1e12.plx exit

##----------------------------------------------------------------------------------

Составленный входной файл должен быть сохранен в заданной директории. Запуск расчета примесного профиля на основе данных, содержащихся в созданном файле *.cmd,

осуществляется командой sprocess <имя командного файла с расширением>. Например: sprocess n1_fps.cmd.

После моделирования формируются файлы-результаты с расширением *.plx. Для их просмотра используется программа Inspect, которая запускается командой inspect &.

В открывшемся окне (рис.6.15) необходимо выбрать меню File→LoadDatasets, затем тип файлов PLX files (*.plx) в нижней части окна и один из имеющихся файлов с расши-

115

рением *.plx. На графике отобразится зависимость N(x). Для более наглядного отображе-

ния графика можно убрать легенду (меню Graph→Edit plot area, опция Legend), затем перейти в логарифмический масштаб по оси Y и приблизить профиль (zoom in).

Рис.6.15. Вид окна Inspect и отображение результатов одномерного моделирования имплантации

При необходимости можно настроить цвет, толщину и тип линии для каждого графи-

ка. Для этого следует выделить название графика (в колонке Curves) и нажать кнопку Edit

(расположенную под командой меню New). В открывшемся окне выбрать требуемые па-

раметры линий графика.

Контрольные вопросы

1.Какие физические механизмы определяют потери энергии движущихся ионов в процессе их торможения в твердом теле?

2.От каких факторов зависит глубина проникновения ионов в полупроводник и как ее можно определить?

116

3.В каких случаях аппроксимация профиля распределения концентрации примесных атомов в кремнии описывается кривой Гаусса, в каких - кривой Пирсона?

4.Укажите пути управления профилем распределения концентрации примеси по тол-

щине полупроводника.

5. Каков характер возникающих дефектов при ионном легировании и их распределе-

ние по толщине полупроводника?

6.Каким образом можно восстановить нарушенную структуру полупроводника после ионного легирования?

7.В чем заключается эффект каналирования?

8.Укажите особенности ионного легирования при высоких дозах ионов.

9.Из каких основных блоков состоит оборудование для ионного легирования?

10.Чем отличаются диоды, созданные ионным легированием, от диодов, полученных методом термической диффузии? На каких параметрах диодов сказывается это отличие?

11.При каком условии с помощью ионного легирования можно получить скрытую область p-типа в полупроводнике n-типа проводимости?

12.В чем заключаются преимущества и недостатки метода ионного легирования?

Литература

1. Артамонова Е.А., Балашов А.Г., Ключников А.С., Красюков А.Ю., Поломошнов С.А.

Лабораторный практикум по курсу «Моделирование в среде TCAD». В 2 ч. Ч. 1. Введение в приборно-технологическое моделирование / Под ред. Т.Ю. Крупкиной. - М.: МИЭТ, 2009.

- 172 c.

2. Королев М.А., Крупкина Т.Ю., Путря М.Г., Шевяков В.И. Технология, конструк-

ции и методы моделирования кремниевых интегральных микросхем: учеб. пособие / Под общ. ред. Ю.А. Чаплыгина. В 2 ч. Ч. 1. Технологические процессы изготовления крем-

ниевых интегральных схем и их моделирование. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2011.

- 422 с.

117

Лабораторная работа № 7

Диффузия примесей в кремний

Цель работы: ознакомиться с методами проведения диффузионных процессов и кон-

тролем легированных слоев в производстве полупроводниковых интегральных схем; ос-

воить инженерные методы выбора технологических режимов процесса диффузии.

Продолжительность работы: 4 часа.

Теоретические сведения

Диффузией называется направленное движение атомов, возникающее под действием градиента концентрации или температуры. В объеме монокристаллического твердого тела при высоких температурах увеличивается концентрация точечных дефектов, таких как ва-

кансии и межузельные атомы. Механизм диффузии, когда атом примеси или собственный атом кристалла мигрирует на место вакансии, называется вакансионным. Если легирую-

щий атом является собственным атомом, то процесс диффузии называется самодиффузи-

ей, а если примесным - примесной диффузией, или гетеродиффузией. Энергия связи для примесного атома в решетке кристалла всегда меньше, чем для собственных атомов, по-

этому образование вакансий около примесных атомов облегчается, вследствие чего диф-

фузия часто происходит в виде движения комплекса атом примеси - вакансия.

Кроме вакансионного механизма диффузии примеси в полупроводнике, существует возможность перемещения атомов по междоузлиям. Реализация этого механизма наиболее вероятна в случае диффузии атомов малых размеров. Поскольку им приходится преодоле-

вать меньшие потенциальные барьеры, то диффузия этих элементов происходит с боль-

шей скоростью. Установлено, что в кремнии диффузия элементов III и V групп Периоди-

ческой системы элементов Менделеева происходит в основном по вакансионному механизму, а элементы I и VIII групп относятся к быстро диффундирующим примесям.

При низкой концентрации примесей (более 1019 см 3) и низкой плотности дислокаций процесс диффузии может быть описан феноменологической теорией диффузии с исполь-

зованием закона диффузии Фика с постоянным значением коэффициента диффузии.

Если примесь вводится в приповерхностную область кристалла, то создается градиент концентрации и возникает направленный поток частиц, стремящийся выравнять их кон-

центрацию. Этот процесс описывается первым уравнением Фика:

118

j D N,

где j - плотность потока атомов; D - коэффициент диффузии; - оператор диффузии; N -

концентрация атомов. Знак «минус» означает, что поток направлен в сторону уменьшения концентрации.

Поскольку концентрация примеси у поверхности максимальна, градиент концентра-

ции будет направлен перпендикулярно поверхности. Если ось x направить параллельно градиенту концентрации, то для одномерного случая поток примеси будет пропорциона-

лен градиенту концентрации:

j D Nx .

Из этого выражения можно получить следующее уравнение:

Это уравнение называется вторым уравнением Фика. Оно связывает распределение примеси во времени с распределением по координате.

Вследствие симметрии кристаллической решетки кремния диффузию примесей в нем можно рассматривать как изотропный процесс, а коэффициент диффузии считать скаляр-

ной величиной, не зависящей от концентрации и направления ( D/x = 0).

Во всех точках кристалла концентрация примеси имеет конечное значение и может быть определена при решении уравнения (1) с соответствующими граничными условия-

ми. Поскольку глубина диффузии невелика по сравнению с толщиной пластины полупро-

водника, последнюю можно считать полубесконечным телом, ограниченным плоскостью x = 0.

Рис.7.1. Распределение примеси при диффузии из бесконечного источника

Процесс диффузии обычно проводится в два этапа. На первом этапе легирования в

тонкий приповерхностный слой полупроводника вводится необходимое количество при-

119

меси, обеспечивающее на втором этапе заданное сопротивление и толщину легированного слоя. Двухэтапная диффузия позволяет лучше управлять процессом и обеспечивать нуж-

ное для практики распределение примеси. Кроме того, проведение первого этапа диффу-

зии при более низкой температуре, чем второго, облегчает условия маскирования окислом поверхности полупроводника.

Двум этапам диффузионного процесса соответствуют два решения уравнения Фика при различных граничных условиях:

• на первом этапе рассматривается диффузия с постоянной поверхностной концентра-

цией или диффузия из бесконечного источника примеси;

• на втором этапе рассматривается диффузия из ограниченного источника примеси.

В первом случае примесь поступает непрерывно через поверхность кристалла (x = 0)

из внешнего источника («загонка» примеси), во втором - количество примеси ограничено,

поверхность кристалла для примеси непроницаема и по мере движения примеси в глубь кристалла источник обедняется («разгонка» примеси).

Диффузия из бесконечного источника

Целью первого этапа диффузии является введение в полупроводник точно контроли-

руемого количества примеси, которое будет служить ограниченным источником на вто-

ром этапе процесса. При этом поверхностная концентрация примеси на границе x = 0 все время остается постоянной и равной N0. Граничные условия для решения второго уравне-

ния Фика могут быть записаны в виде

N (x,t) x 0 N0 .

t 0

Это означает, что в начале процесса примесь в объеме кристалла отсутствует, однако на поверхности ее концентрация в любой момент времени равна N0. В процессе диффузии примесь к поверхности кристалла поступает из внешнего источника непрерывно и поток ее все время одинаков. Поэтому процесс и получил название диффузии из бесконечного или неограниченного источника.

Решением уравнения Фика будет выражение